PROCAD UFPB/UFBA/UFMA/UFPA Introdução a Instrumentação Biomédica TRANSDUTORES DE FLUXO

PROCADUFPB/UFBA/UFMA/UFPA

Introdução a Instrumentação Biomédica

TRANSDUTORES DE FLUXO

MEDIÇÃO DE FLUXO ÍNDICE1- FLUXO

Tipos, Número de Reynolds, Densidade, Viscosidade

2- TRANSDUTORES DE FLUXOPressão Diferencial -

Obstrução - Tubo Pitot

Área Variável - Rotâmetro Velocidade - Turbina Deslocamento Positivo - Rotor

MEDIÇÃO DE FLUXO ÍNDICE

Vórtices - VortexTensão Induzida - EletromagnéticoTemperatura - Fio QuenteUltra-som - Efeito DopplerVelocímetro Laser - Efeito Doppler

TRANSDUTORES DE FLUXO

São sensores para medição de vazão. Q (m3/s) = V (m/s) . A (m2)

TRANSDUTORES DE FLUXO

Dispositivos desenvolvidos para determinar a medição de fluxo utilizando outras variáveis relacionadas fisicamente com a vazão, como: Velocidade de escoamento do fluido líquido (água, sangue) ou gasoso (ar, oxigênio). Diferença de pressão Variação de energia

FLUXO

LAMINAR – quando o fluido se move através de condutos uniformes (tubos retos com pouco atrito interno) a velocidades muito baixas, o movimento das partículas individuais é formado por linhas paralelas às paredes do conduto.

FLUXOSLAMINAR NÃO UNIFORME TURBULENTO

FLUXO

TURBULENTO – quando o aumento do fluxo faz o movimento das partículas tornar-se mais aleatório e irregular, caracterizado por vórtices locais e um grande aumento na resistência ao escoamento.

FLUXO

REYNOLDS - Número adimensional que determina o regime de escoamento do fluido. NR = D Vm /

densidade do fluidoD diâmetro interno do tubo

Vm velocidade média de escoamento coeficiente de viscosidade

FLUXO

DENSIDADE – É o número de vezes que o fluido é mais pesado que igual volume de água.

Ex: O sangue é mais viscoso e mais denso que a água.

FLUXOVISCOSIDADE – É a resistência do movimento fluido ao escoamento. As forças de atrito do próprio fluido impedem as diferentes camadas de escorregar entre si.

NOS LÍQUIDOS – é inversamente proporcional à temperatura e diretamente proporcional à pressão. NOS GASES - é diretamente proporcional à temperatura e à pressão.

FLUXOVELOCIDADE MÉDIA – É a velocidade

uniforme que produziria a mesma vazão em toda a seção reta do tubo.

Experimentalmente o escoamento é: LAMINAR se NR < 2 000

TURBULENTO se NR > 3 000

INSTÁVEL se 2 000 < NR < 3 000

MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL

Utilizam sensores de pressão para encontrar uma diferença de pressão que determine a velocidade do fluido.

- Medidores de Obstrução

- Tubos de Pitot

MEDIDORES DE OBSTRUÇÃO

É um obstáculo colocado na passagem do fluido, causando aumento de velocidade do fluido com uma conseqüente redução da pressão.

EQUAÇÃO DE BERNOULLI - A soma da energia estática (pressão), energia cinética (velocidade) e energia potencial (elevação) se conserva para um fluido passando por uma obstrução.

EQUAÇÃO DE BERNOULLI

p1/ + V12/2g + z1 = constante

p = pressão

= viscosidadeV = velocidadeg = aceleração da gravidadez = elevação

MEDIDORES DE OBSTRUÇÃO

TUBO DE VENTURI

BOCAL DE FLUXO

PLACA DE ORIFÍCIO

MEDIDORES DE OBSTRUÇÃOT. VENTURI - pequena perda de pressão (mais

eficiente), alta exatidão, resistência à abrasão, comprimento maior (difícil instalação), alto custo

BOCAL DE FLUXO – média perda de pressão, alta exatidão, custo médio, resistência à abrasão, comprimento menor

PLACA DE ORIFÍCIO – grande perda da ordem de 30 a 40% da pressão diferencial, menor exatidão, mais abrasivo, comprimento menor (melhor instalação), baixo custo

MEDIDORES DE OBSTRUÇÃODIAFRAGMA - sensor de de fluxo de ar,

projetado para ar filtrado a seco em ambientes médicos e instrumentos analíticos, combina características operacionais de confiabilidade e exatidão.

Sensor Honeywell

MEDIDORES DE OBSTRUÇÃOAplicações médicas típicas incluem

respiradores, ventiladores, concentradores de oxigênio, conservadores, monitores de apnéia, nebulizadores, equipamento de CPAP (pressão de ar positiva e contínua), autoclaves. Compatível com grande variedade de gases anestésicos.

Fluxômetro SpiroMaster

MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL

TUBO DE PITOT

MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL

TUBO DE PITOT

Precisa ser bem centralizado no conduto

MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL

TUBO DE VENTURI

MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL

TUBO DE VENTURI

TUBO DE VENTURI

TUBO DE VENTURI

MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL

TUBO DE VENTURI

MEDIDOR DE ÁREA VARIÁVELROTÂMETRO

É constituído por um tubo transparente com escala onde um flutuador (bóia) se move livremente.

O flutuador é mais pesado do que o fluido que o desloca.

MEDIDOR DE ÁREA VARIÁVELROTÂMETRO

O equilíbrio é atingido quando a diferença de pressão e o empuxo compensam a força gravitacional.

A posição do flutuador indica a taxa de fluxo.

MEDIDOR DE ÁREA VARIÁVELROTÂMETRO

MEDIDOR DE ÁREA VARIÁVELROTÂMETRO

MEDIDOR DE ÁREA VARIÁVELROTÂMETRO

VANTAGENSEscala uniforme de fluxoAtravés da troca do flutuador é possível mudar a capacidade de fluxoBoa aceitação de fluidos corrosivosVerificação visual da condição do fluxo

MEDIDOR DE ÁREA VARIÁVELROTÂMETRO

DESVANTAGENSSó pode ser instalado na posição verticalEm caso de fluido opaco, o flutuador não se torna visívelNão podem ser usados em líquidos que carregam grandes percentuais de sólidos em suspensãoCusto é alto para fluidos com altas temperaturas

MEDIDOR DE ÁREA VARIÁVEL

Respirador Eletrônico Newport Breeze E-150

MEDIDOR DE TURBINA

O número de voltas das lâminas da turbina por unidade de tempo é proporcional ao fluxo.

MEDIDOR DE TURBINA

Um ímã permanente é encaixado no corpo do rotor, cada vez que uma lâmina da turbina passa pelo pólo do sensor, a redução da relutância altera a permeabilidade do circuito magnético produzindo um pulso de tensão no terminal de saída.

A freqüência deste pulso é proporcional à velocidade de escoamento do fluido.

MEDIDOR DE TURBINA

Erro de cerca de 0,5% Tamanhos disponíveis

de 1/8 a 8 polegadas (cerca de 3 mm a 20 cm).

Boa resposta a transientes de fluxo, constantes de tempo da ordem de 2 a 12 ms

MEDIDOR DE TURBINA

Exatidão reduzida à taxas baixas de fluxo.

MEDIDOR DE DESLOCAMENTO POSITIVO

A passagem do fluido causa giros do rotor registrados em um contador de giros.

MEDIDOR DE DESLOCAMENTO POSITIVO

MEDIDOR DE DESLOCAMENTO POSITIVO

MEDIDOR DE VÓRTICES

Contém obstrução não-aerodinâmica perpendicular à direção do fluxo gerando vórtices ou áreas bem localizadas de baixa pressão e instabilidade.

MEDIDOR DE VÓRTICESA freqüência com que os vórtices

são criados é proporcional à velocidade do fluxo.

MEDIDOR DE VÓRTICES

MEDIDOR DE VÓRTICES

MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO

Baseado na Lei de Indução de Faraday

e = B l v

e tensão induzida (V)B densidade de fluxo magnético

(Gauss)l comprimento do condutor (cm)v velocidade do condutor (cm/s)

MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO

Com passagem de um fluido ligeiramente condutivo através de um campo eletromagnético (B), é gerada uma força eletromotriz (e) medida por eletrodos posicionados nas paredes do tubo.

MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO

MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO

MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO

O conduto deve ser de vidro ou de algum material não condutor. Os eletrodos na superfície interna do conduto fazem contato direto com o fluido.

A tensão de saída é muito baixa, e um campo magnético alternado é usado para amplificar e eliminar problemas de polarização. Um circuito especial é necessário para separar a saída relativa ao fluxo de outros sinais.

MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO

MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO

MEDIDOR TÉRMICO

MEDIDOR TÉRMICOANEMÔMETRO DE FIO QUENTE

Fio fino e curto esticado entre dois suportes

MEDIDOR TÉRMICO

ANEMÔMETRO DE FIO QUENTEMétodo da corrente constante - uma corrente elétrica constante passa através do fio sensor. A variação do fluxo implica na troca da temperatura no fio, modificando sua resistência.Método da temperatura constante - um servo sistema mantém a resistência do fio constante e conseqüentemente sua temperatura. Uma mudança no fluxo resulta na mudança na corrente elétrica.

MEDIDOR TÉRMICO

MEDIDOR TÉRMICOVARIAÇÃO DO FLUXO DO FLUIDO

Quando o fluxo varia durante o tempo, a resposta do elemento fica atrasada devido à capacidade do fio de armazenar calor.

No Método da Corrente Constante a compensação deste atraso é feita por uma rede passiva de indutores e resistores ou de capacitores e resistores, ou através do uso de um transformador.

MEDIDOR TÉRMICOVARIAÇÃO DO FLUXO DO FLUIDO

No Método de Temperatura Constante a compensação é feita pelo próprio sistema básico.

MEDIDOR TÉRMICOVARIAÇÃO DO FLUXO DO FLUIDO

O elemento sensor está incorporado numa ponte de Wheatstone, cujo desbalanceamento é empregado como medida de corrente para manter a temperatura do fio.

O próprio sistema provê proteção contra a queima do fio.

Aplicação na área médica: medidas de fluxo de sangue, ar.

MEDIDOR TÉRMICOAnemômetro de fio quente na PUC-MG com filamento

de tungstênio de 4 mícrons de diâmetro.

MEDIDOR ULTRASÔNICO Sistema baseado no tempo de propagação de ondas acústicas

MEDIDOR ULTRASÔNICOSistema Doppler de onda contínua

MEDIDOR ULTRASÔNICOSistema Doppler pulsátil

MEDIDOR LASEREfeito Doppler causado em um feixe

Laser ao ser refletido por partículas em movimento

MEDIDOR LASER

Os dois feixes do laser, em sua interferência no ponto de medida, geram as franjas de Fresnell que distam entre si de "e". Medindo o tempo "T" que uma partícula de fluido percorre essa distância “e”, encontra-se a velocidade "v" do fluxo.

v = e / T = e . fOnde f é a freqüência da onda luminosa

a ser captada e medida pelo receptor.

MEDIDOR LASER

TABELA COMPARATIVA

TABELA COMPARATIVA

BIBLIOGRAFIA

Mechanical Measurements – T.G.Beckwith, N.L.Buck. Addison-Wesley Publishing Co

www.if.ufrj.br/teaching/fis2/hidrodinamicawww.lubrivila.com.br/duvitext.htmwww.ufsm.br/gef/VisLiq.htmwww4.prossiga.br/lopes/prodcien/

fisicanaescola

BIBLIOGRAFIA

www.emc.ufsc.br/labtermo/Vperda1.jpgwww.senaiformadores.com.br/Cursos/01www.foxboro.comwww.koboldusa.comwww.ce.utexas.edu/prof/KINNAS/319LABhttp://www.honeywell.com/.